JP2010199568A - Method for manufacturing semiconductor substrate, and semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板の製造方法および半導体基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate manufacturing method and a semiconductor substrate.
近年、GaAs、AlGaAs、InGaAs等の3−5族化合物半導体を用いて、電界効果トランジスタ(FETと称する。)、高電子移動度トランジスタ(HEMTと称する。)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBTと称する。)等の電子素子が製造されている。また、これらの電子素子の製造には、化合物半導体エピタキシャル基板が用いられる。化合物半導体エピタキシャル基板は、GaAs基板等の半絶縁性基板に、3−5族化合物半導体の結晶をエピタキシャル成長法により結晶成長させて製造される。エピタキシャル成長法としては、液相法、分子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法(MOCVD法と称する。)等が利用される。 In recent years, field effect transistors (referred to as FETs), high electron mobility transistors (referred to as HEMTs), and heterojunction bipolar transistors (referred to as HBTs) using Group 3-5 compound semiconductors such as GaAs, AlGaAs, and InGaAs. ) Etc. are manufactured. A compound semiconductor epitaxial substrate is used for manufacturing these electronic devices. The compound semiconductor epitaxial substrate is manufactured by growing a crystal of a group 3-5 compound semiconductor on a semi-insulating substrate such as a GaAs substrate by an epitaxial growth method. As the epitaxial growth method, a liquid phase method, a molecular beam epitaxial growth method, a metal organic chemical vapor deposition method (referred to as MOCVD method), or the like is used.
特許文献1には、半絶縁性のGaAs基板と、n型GaAsの活性層との間にAlGaAsのバッファ層を有する化合物半導体エピタキシャルウェハが記載されている。バッファ層は、FETの特性を低下させるリーク電流を抑制する。またバッファ層は、上記基板もしくは基板上の不純物がFETの特性に与える影響を緩和する。特許文献1のバッファ層は、有機金属気相エピタキシャル成長法(MOVPE法と称する。)により形成され、濃度の接近したドナー不純物とアクセプタ不純物とが添加される。
特許文献2には、MOVPE法により形成したp型バッファ層を有する3−5族化合物半導体装置が記載されている。特許文献2では、p型バッファ層における膜厚とp型キャリア濃度との関係に着目して、上記膜厚と上記p型キャリア濃度との積を、1×1010〜1×1012cm−2とすることで、3−5族化合物半導体装置のリーク電流を低減させている。
特許文献1 特開平11−345812号公報
特許文献2 特開2007−67359号公報
特許文献1には、バッファ層の結晶成長条件については記載されていないが、通常、MOVPE法またはMOCVD法を用いて3−5族化合物半導体を形成する場合には、PおよびAs等の5族原料は、Al、Ga、およびIn等の3族原料と比較して、非常に過剰に供給される。その結果、化合物半導体エピタキシャルウェハの製造コストが増大する。また、特許文献2においては、酸素もしくは遷移金属をドープした場合のp型バッファ層のp型キャリア濃度を制御している。しかし、特許文献2においては、5族原料の供給量については考慮されていない。
製造コストを低減するには、5族原料の供給量を低減することが好ましい。しかしながら、製造コストを低減させる目的で、単純に5族原料の供給量を低減すると、3−5族化合物半導体のp型キャリア濃度が大きくなり過ぎる。その結果、イオン化できなくなった過剰のアクセプタ不純物が残留するので、3−5族化合物半導体がバッファ層として十分な性能を発揮できない。
In order to reduce the manufacturing cost, it is preferable to reduce the supply amount of the
具体的には、MOVPE法またはMOCVD法において、3族原料は、トリメチルガリウム、およびトリメチルアルミニウム等の有機金属化合物として供給される。有機金属化合物に含まれる炭素は、結晶成長時に化合物半導体の結晶中に取り込まれる。3−5族化合物半導体の炭素濃度は、結晶成長時の3族原料に対する5族原料の比が小さいほど大きくなる。炭素は、3−5族化合物半導体の結晶中でアクセプタ不純物として振る舞うので、炭素濃度が大きくなると、3−5族化合物半導体のp型キャリア濃度が増加する。その結果、3−5族化合物半導体がバッファ層として十分な性能を発揮できない。
Specifically, in the MOVPE method or the MOCVD method, the
より具体的には、3−5族化合物半導体にp型キャリアが残留すると、3−5族化合物半導体の残留容量が増大するので、3−5族化合物半導体のリーク電流が増加する。その結果、3−5族化合物半導体の耐圧が低下する。また、3−5族化合物半導体に形成されるFETなどの半導体デバイスにおけるキャリア移動度が低下する。 More specifically, if p-type carriers remain in the group 3-5 compound semiconductor, the residual capacity of the group 3-5 compound semiconductor increases, and thus the leakage current of the group 3-5 compound semiconductor increases. As a result, the breakdown voltage of the group 3-5 compound semiconductor is lowered. In addition, carrier mobility in a semiconductor device such as an FET formed in a Group 3-5 compound semiconductor is lowered.
イオン化できなくなった過剰のアクセプタ不純物の残留を防ぎ、3−5族化合物半導体にバッファ層として十分な性能を発揮させるには、5族原料の供給量を低減しながらも、3−5族化合物半導体のp型キャリア濃度を適切な値に維持することが好ましい。そこで、本発明の目的は、3−5族化合物半導体の物性を損なうことなく、5族原料の使用量を低減できる3−5族化合物半導体の製造方法を提供することにある。
In order to prevent excessive acceptor impurities from being ionized and prevent the Group 3-5 compound semiconductor from exhibiting sufficient performance as a buffer layer, the Group 3-5 compound semiconductor is reduced while the supply amount of the
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、ベース基板(base wafer)を反応容器の内部に設置する段階と、前記反応容器に、3族元素の有機金属化合物からなる3族原料ガス、5族元素からなる5族原料ガス、および、半導体内にドープされてドナーとなる不純物を含む不純物ガスを供給して、ベース基板にp型3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる段階とを備え、ベース基板にp型3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる段階において、不純物ガスの流量、および3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比を、p型3−5族化合物半導体の残留キャリア濃度N(cm−3)および厚さd(cm)の積N×d(cm−2)が8.0×1011以下になるよう設定する、半導体基板の製造方法が提供される。ここで、「p型3−5族化合物半導体」とは、p型キャリア濃度がn型キャリア濃度よりも高い3−5族化合物半導体である。
In order to solve the above-mentioned problems, in the first aspect of the present invention, a step of placing a base substrate inside a reaction vessel, and the reaction vessel comprising a
ベース基板にp型3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる段階において、p型3−5族化合物半導体上の活性層に接するショットキ電極を用いた容量電圧測定による単位面積当たりの残留容量が0.5nF/cm2未満になるよう、不純物ガスの流量、および3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比を設定してもよい。
In the step of epitaxially growing the p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate, the residual capacity per unit area is 0.5 nF by capacitance voltage measurement using a Schottky electrode in contact with the active layer on the p-type group 3-5 compound semiconductor. The flow rate of the impurity gas and the flow rate ratio of the
また、3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比を50以下に設定することが好ましい。さらに、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比は、9.0×106以下であることが好ましい。上記化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、不純物は、Si、Se、Ge、Sn、SおよびTeからなる元素群より選ばれた少なくとも一つの元素を含んでもよい。上記化合物半導体エピタキシャル基板の製造において、ベース基板に、p型3−5族化合物半導体と、さらに活性層とがこの順に積層されてもよい。
Moreover, it is preferable to set the flow ratio of the
本発明の第2の態様においては、ベース基板と、ベース基板に、3族元素の有機金属化合物からなる3族原料ガス、5族元素からなる5族原料ガス、および、半導体内にドープされてドナーとなる不純物を含む不純物ガスを供給して、エピタキシャル成長されたp型3−5族化合物半導体と、を備え、p型3−5族化合物半導体は、残留キャリア濃度N(cm−3)および厚さd(cm)の積N×d(cm−2)が8.0×1011以下である半導体基板が提供される。
In the second aspect of the present invention, the base substrate and the base substrate are doped into a
上記の半導体基板において、p型3−5族化合物半導体上の活性層に接するショットキ電極を用いた容量電圧測定において単位面積当たりの残留容量が0.5nF/cm2未満であることが好ましい。上記の半導体基板においては、p型3−5族化合物半導体が、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスの流量差との比を9.0×106以下にしてエピタキシャル成長されていることが好ましい。
In the above semiconductor substrate, the residual capacity per unit area is preferably less than 0.5 nF / cm 2 in the capacity voltage measurement using the Schottky electrode in contact with the active layer on the p-type group 3-5 compound semiconductor. In the above semiconductor substrate, the p-type group 3-5 compound semiconductor is epitaxially grown with the ratio of the flow rate difference between the
また、上記の半導体基板において、p型3−5族化合物半導体が、3族原料ガスに対する5族原料ガスの比が50以下になる条件でエピタキシャル成長されていることが好ましい。上記の半導体基板において、ドナー不純物として、Si、Se、Ge、Sn、SおよびTeからなる元素群より選ばれた少なくとも一つの元素を含んでもよい。上記の半導体基板において、ベース基板に、p型3−5族化合物半導体と、さらに活性層とがこの順に積層されてもよい。
In the above semiconductor substrate, it is preferable that the p-type group 3-5 compound semiconductor is epitaxially grown under the condition that the ratio of the
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。以下、図面を参照して、実施形態について説明するが、図面の記載において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を省く場合がある。なお、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、説明の都合上、図面相互間においても互いの寸法の関係又は比率が異なる部分が含まれる場合がある。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. The drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio, and the like may be different from the actual ones. In addition, for convenience of explanation, there may be a case where the drawings have different dimensional relationships or ratios.
図1は、一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板100の断面の一例を概略的に示す。図1に示すとおり、化合物半導体エピタキシャル基板100は、ベース基板102および3−5族化合物半導体104を備える。化合物半導体エピタキシャル基板100は、半導体基板の一例である。ベース基板102は、例えば、GaAs等の3−5族化合物半導体、または、SixGe1−x(0≦x≦1)で表される4族半導体を有する。
FIG. 1 schematically shows an example of a cross section of a compound
3−5族化合物半導体104は、p型の3−5族化合物半導体である。3−5族化合物半導体104は、例えばMOCVD法により形成される。3−5族化合物半導体104は、例えば10nm以上3000nm以下の厚みを有する。3−5族化合物半導体104は、複数の層を有してもよい。
The group 3-5
3−5族化合物半導体104は、3族元素の有機金属化合物からなる3族原料ガス、5族元素からなる5族原料ガス、および、ドナーとなる不純物を含む不純物ガスを、ベース基板102の一方の主面103に供給して、主面103に3−5族化合物半導体を結晶成長させることによって得られる。上記不純物は、上記3−5族化合物半導体内にドープされてドナーとして振る舞うので、3−5族化合物半導体104のn型キャリア濃度を増加させる。
The group 3-5
結晶成長時の3族原料に対する5族原料の比が小さいほど、3−5族化合物半導体の炭素濃度が大きくなり、3−5族化合物半導体104中のp型キャリア濃度が増加する。ところが、ドナーとして振る舞う不純物によって3−5族化合物半導体104のn型キャリア濃度が増加すると、増加したn型キャリアによりp型キャリアが補償される。その結果、3−5族化合物半導体104における残留p型キャリア濃度が低減するので、3−5族化合物半導体104はバッファ層として十分な性能を発揮する。
The smaller the ratio of the
具体的には、3−5族化合物半導体104のp型キャリアが減少すると、3−5族化合物半導体104の残留容量が低下するので、3−5族化合物半導体104のリーク電流が減少する。その結果、3−5族化合物半導体104の耐圧が向上する。また、3−5族化合物半導体104に形成されるFETなどの半導体デバイスにおけるキャリア移動度が増大する。つまり、3−5族化合物半導体104の残留p型キャリア濃度が低減することにより、3−5族化合物半導体104は、大きな耐圧を有するとともに、移動度が大きな半導体デバイスの形成に適したバッファ層として機能する。
Specifically, when the p-type carrier of the group 3-5
なお、「残留p型キャリア濃度」は、p型キャリア濃度がn型キャリア濃度より大きい場合の3−5族化合物半導体104のキャリア濃度である。同様に、p型キャリア濃度がn型キャリア濃度より小さい場合の上記キャリア濃度を、残留n型キャリア濃度と称する。以上のように、ドナーとなる不純物を含む不純物ガスを3族原料ガスおよび5族原料ガスとともに供給することにより、3−5族化合物半導体104の製造に使用する5族原料の量を低減することができる。
The “residual p-type carrier concentration” is the carrier concentration of the Group 3-5
図2は、一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板100の製造方法の一例を概略的に示す。図2に示すとおり、S202においてベース基板102を準備する。次に、S204において、ベース基板102の主面103に3−5族化合物半導体104をエピタキシャル成長させる。
FIG. 2 schematically shows an example of a method for manufacturing the compound
具体的には、3族元素の有機金属化合物を含む3族原料ガス、5族元素を含む5族原料ガス、および、ドナーとなる不純物を含む不純物ガスを、ベース基板102の一方の主面103に供給して、主面103にp型3−5族化合物半導体を結晶成長させる。3族原料ガスおよび5族原料ガスとともに供給する不純物ガスの流量に応じて、3−5族化合物半導体のp型キャリアを補償するn型キャリアの量が変化する。従って、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量の流量比に応じて、不純物ガスの流量を制御することにより、残留p型キャリア濃度を適切な値にすることができる。
Specifically, a
ここで、本明細書において、「3族原料ガスの流量」とは、3族原料ガスの体積流量を表す。「5族原料ガスの流量」とは、5族原料ガスの体積流量を表す。「不純物ガスの流量」とは、不純物ガスの体積流量を表す。「3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比」とは、「5族原料ガスの流量」を「3族原料ガスの流量」で除した値を表す。また、上記流量比は、0℃、101.3kPa(1atm)の状態における「3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比」に換算して算出される。
Here, in this specification, “the flow rate of the
3族原料ガスは、3族元素の有機金属化合物からなる原料ガスである。3族原料ガスは、一例として、キャリアガスと一緒に反応容器の内部に供給される。3族原料ガスは、例えば、トリメチルガリウム(TMGと称する。)、トリメチルアルミニウム(TMAと称する。)、トリメチルインジウム(TMIと称する。)等のアルキル基を有する有機金属化合物を含む。上記アルキル基の炭素数は、例えば1〜3である。
The
3族原料ガスは、次のようにして供給することができる。まず、有機金属化合物を入れた原料容器を恒温槽に設置して、有機金属化合物が所定の温度になるように温度調節する。次に、原料容器にH2等のキャリアガスを流入させて、有機金属化合物をバブリングさせる。これにより、有機金属化合物を気化させる。原料容器から流出してきたキャリアガスには、恒温槽の温度および原料容器内の圧力における有機金属化合物の飽和蒸気圧に応じた量の有機金属化合物が含まれる。
The
3族原料ガスがキャリアガスと一緒に反応容器に供給される場合、3族原料ガスの流量は、原料容器に供給されるキャリアガスの流量をもとに、原料容器が設置された恒温槽の温度における有機金属化合物の飽和蒸気圧と原料容器内圧力とを用いて算出することができる。3族原料として複数の有機金属化合物を用いる場合、「3族原料ガスの流量」は、複数の有機金属化合物の流量を合計した値を表す。例えば、3族原料ガスとして、TMAを含む第1の3族原料ガスとTMGを含む第2の3族原料ガスとを用いて化合物半導体を形成する場合、「3族原料ガスの流量」は、第1の3族原料ガスの流量と第2の3族原料ガスの流量との和である。
When the
5族原料ガスは、5族元素を含む化合物からなる原料ガスである。5族原料ガスは、一例として、キャリアガスと一緒に反応容器の内部に供給される。5族原料ガスは、例えばアルシン等の5族元素の水素化物を含む。5族元素の有機金属化合物に含まれる炭素は、3族元素の有機金属化合物に含まれる炭素と比較して、3−5族化合物半導体104の結晶中に取り込まれにくい。そこで、5族原料ガスは、モノアルキルアルシン等の5族元素の有機金属化合物を含んでもよい。5族元素の有機金属化合物は、例えば、5族元素の水素化物の少なくとも1個の水素を炭素数が1〜4のアルキル基で置換した有機金属化合物である。
The
5族原料ガスは、3族原料ガスと同様にして供給される。また、5族原料ガスの流量は3族原料ガスの流量と同様にして算出される。複数の5族元素の化合物を用いる場合には、5族原料ガスの流量は、複数の5族元素の化合物の流量を合計することにより算出される。
The
不純物ガスは、ドナーとなる不純物を含む。不純物ガスは、キャリアガスを含んでもよい。ドナーとなる不純物は、例えば、Si、Se、Ge、Sn、S、およびTeからなる元素群より選ばれた少なくとも一つの元素である。不純物ガスは、上記元素を有する水素化物、または、上記元素と、炭素数が1〜3のアルキル基とを有するアルキル化物を含んでもよい。 The impurity gas contains an impurity serving as a donor. The impurity gas may include a carrier gas. The impurity serving as a donor is, for example, at least one element selected from the element group consisting of Si, Se, Ge, Sn, S, and Te. The impurity gas may include a hydride having the above element or an alkylate having the above element and an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
上記不純物は、3−5族化合物半導体104の結晶中でドナー不純物として振る舞うので、3−5族化合物半導体104のn型キャリア濃度を増加させる。3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を50以下という低い値に設定した場合、3族原料ガスに含まれる炭素が3−5族化合物半導体104の結晶に取り込まれて、p型キャリア濃度が増加する。しかし、3族原料ガスおよび5族原料ガスと一緒に不純物ガスを供給することにより、n型キャリアによりp型キャリアが補償されるので、残留p型キャリア濃度の増加を抑制できる。
Since the impurity behaves as a donor impurity in the crystal of the group 3-5
また、3族原料ガスの流量、5族原料ガスの流量、および不純物ガスの流量を調整することで、3−5族化合物半導体104中のアクセプタ不純物およびドナー不純物の濃度を制御できる。従って、5族原料の使用量を低減しつつ、3−5族化合物半導体104の残留p型キャリア濃度を制御できる。
Further, by adjusting the flow rate of the
具体的には、ベース基板102に3−5族化合物半導体104をエピタキシャル成長させる段階において、不純物ガスの流量、および3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比を、3−5族化合物半導体104の残留キャリア濃度N(cm−3)および厚さd(cm)の積N×d(cm−2)が8.0×1011以下になるよう設定する。当該設定により、3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比に応じて生じるp型キャリアが、不純物ガスにより補償される。その結果、5族原料の使用量を低減しつつ、バッファ層としての十分な性能を有する3−5族化合物半導体104を結晶成長させることができる。
Specifically, in the stage of epitaxially growing the Group 3-5
ここで、本明細書において、「3−5族化合物半導体104の残留キャリア濃度」とは、p型キャリア濃度からn型キャリア濃度を引いた値を意味する。上記キャリア濃度は、3−5族化合物半導体104の静電容量−電圧特性(C−V特性と称する)から算出できる。「3−5族化合物半導体104の厚さ」とは、FET等の半導体装置のバッファ層に適した領域の平均膜厚を示す。平均膜厚は、例えば、上記領域の5点における膜厚の算術平均である。上記膜厚は、SEMまたはTEMを用いた観察により算出できる。
In this specification, “residual carrier concentration of group 3-5
5族原料ガスの流量を低減させるには、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が50以下となるように、3族原料ガスおよび5族原料ガスを供給することが好ましい。つまり、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が50以下であり、かつ、3−5族化合物半導体104の膜厚に3−5族化合物半導体104のキャリア濃度を乗じた値が8.0×1011cm−2以下となるように設定されてもよい。当該条件下で3−5族化合物半導体104を結晶成長させることにより、3−5族化合物半導体104中のアクセプタ不純物およびドナー不純物の濃度を制御しつつ、5族原料ガスの使用量を大幅に抑制することができる。
In order to reduce the flow rate of the
3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を30以下にすれば、5族原料ガスの流量をさらに低減することができる。従って、流量比を30以下にすることが、さらに好ましい。なお、3−5族化合物半導体104を結晶成長させるには、3族原料ガスおよび5族原料ガスが必要なので、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比は、0.1以上であることが好ましい。
If the flow rate ratio of the
ベース基板102に3−5族化合物半導体104をエピタキシャル成長させる段階においては、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比を9.0×106以下に設定することが好ましい。不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比を8.4×106以下にしてもよい。不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比を当該値に設定することにより、バッファ層としての十分な性能を有する3−5族化合物半導体104を結晶成長させることができる。
In the stage of epitaxially growing the Group 3-5
ここで、「不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比」は、「5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量との差」を「不純物ガスの流量」で除した値を表す。また、上記の比は、0℃、101.3kPa(1atm)の状態における「不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比」に換算して算出される。不純物ガスが水素などの他のガスにより希釈されている場合には、不純物ガスの流量は、不純物ガスの濃度が100%である場合に換算して算出される。
Here, “the ratio of the flow rate difference between the
なお、不純物ガス、5族原料ガス、および3族原料ガスの流量の関係を示す指標として「不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比」を用いることにより、5族原料ガスと3族原料ガスとの流量比および流量差に起因するp型キャリア濃度と、不純物ガスに起因するn型キャリア濃度との関係を把握しやすくなる。また、「不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比」の値が与えられると、不純物ガス、5族原料ガス、および3族原料ガスのいずれかのガスの流量を決定することにより、その他のガスの流量を一義的に決定することができる。
By using “ratio of flow rate difference between
本実施形態において、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比を制御する場合について説明したが、さらに、反応容器の成長温度、圧力、結晶成長速度などを制御してもよい。結晶成長の際の反応容器の成長温度は、成長温度が変化しても原料の反応分解速度が変化しない、原料供給律速となる条件の温度領域において好適に選ばれる。例えば、3−5族化合物半導体であるn−GaAs層のキャリア濃度に応じて成長温度を選択することができる。
In the present embodiment, the case of controlling the ratio of the flow rate difference between the
また、結晶成長の際の成長圧力は、成長させる3−5族化合物半導体104の面内均一性と原料効率との関係に基づいて設定される。具体的には、成長圧力を下げるほど面内均一性が良好になるものの、原料効率が悪くなるので、これら2つの要因がバランスした最適な成長圧力が設定される。さらに、3−5族化合物半導体104の結晶成長速度は、原料供給律速の条件下では3族原料ガスの流量によって決定される。例えば、当該結晶成長速度は、成長装置に設置されたガス流量計の制御範囲の中央付近であり、ガス流量と成長速度との線形性が良好な流量での成長速度条件が設定される。
The growth pressure during crystal growth is set based on the relationship between the in-plane uniformity of the 3-5
図3は、一実施形態に係る半導体装置300の断面の一例を概略的に示す。半導体装置300は、ベース基板102、3−5族化合物半導体104、および活性層310を、この順に備える。3−5族化合物半導体104は、化合物半導体エピタキシャル基板100の場合と同様にして形成できる。活性層310は、例えば3−5族化合物半導体である。
FIG. 3 schematically illustrates an example of a cross section of a
図4は、別の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板400の断面の一例を概略的に示す。化合物半導体エピタキシャル基板400は、ベース基板102、3−5族化合物半導体104、活性層310、およびコンタクト層420を、この順に備える。化合物半導体エピタキシャル基板400は、半導体基板の一例である。
FIG. 4 schematically shows an example of a cross section of a compound
ベース基板102は、例えば、GaAs等の3−5族化合物半導体、または、SixGe1−x(0≦x≦1)で表される4族半導体を有する。ベース基板102は、半絶縁性のGaAs基板であってもよい。ベース基板102は、ベース基板102の表面の結晶学的面方位が、1つの(100)面または当該(100)面と等価な面の結晶学的面方位から傾いており、その傾きの大きさが0.05°以上1°以下である半絶縁性の単結晶GaAs基板であってもよい。ベース基板102は、Si基板、SOI(silicon−on−insulator)基板、Ge基板またはGOI(germanium−on−insulator)基板に、GaAs等の3−5族化合物半導体が形成された積層基板であってもよい。
The
3−5族化合物半導体104は、例えば、ベース基板102を設置した減圧バレル型の反応容器に、3族原料ガス、5族原料ガス、および不純物ガスを供給して、ベース基板102の一方の主面103に3−5族化合物半導体を結晶成長させて得られる。このとき、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が50以下、さらに好ましくは30以下となるように、3族原料ガスおよび5族原料ガスを供給することで、5族原料の使用量を低減しつつ、3−5族化合物半導体104のp型キャリア濃度を制御できる。上記反応容器には、3族原料ガス、5族原料ガス、および不純物ガスの他に、キャリアガス、バランスガス、およびその他の原料ガス等が供給されてもよい。
For example, the Group 3-5
不純物ガスの流量、および5族原料ガスと3族原料ガスとの流量比は、化合物半導体エピタキシャル基板400のショットキ電極を用いた容量電圧測定において、残留する電荷に起因する単位面積当たりの残留容量が0.5nF/cm2未満となるように設定されることが好ましい。不純物ガスの流量、および3族原料ガスに対する5族原料ガスの流量比は、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が50以下であり、かつ、3−5族化合物半導体104の膜厚に3−5族化合物半導体104のキャリア濃度を乗じた値が8.0×1011cm−2以下となり、かつ、化合物半導体エピタキシャル基板400の容量電圧測定において、残留する電荷に起因する単位面積当たりの残留容量が0.5nF/cm2未満となるように設定されてもよい。
The flow rate of the impurity gas and the flow rate ratio of the
3−5族化合物半導体104の容量電圧測定は、例えば、化合物半導体エピタキシャル基板400のコンタクト層420をエッチングなどにより除去することにより形成した、活性層310に接するショットキ電極に電圧を印加することで実施できる。ショットキ電極として、Al、Ag、Au、およびCu等を利用できる。なお、ショットキ電極については、図4には図示していない。
The capacitance voltage measurement of the Group 3-5
例えば、活性層310の表面に、内側電極と、内側電極の周囲を囲み内側電極から離間して配置された外側電極とを形成することで、上記ショットキ電極を形成できる。外側電極の内部には、開口が形成されてもよい。内側電極は、例えば上記開口の内側に形成される。内側電極の中心と外側電極の中心とは、実質的に一致してもよい。上記開口の中心と外側電極の中心とが実質的に一致してもよい。上記開口の中心と内側電極の中心とが実質的に一致してもよい。
For example, the Schottky electrode can be formed by forming the inner electrode and the outer electrode surrounding the inner electrode and spaced apart from the inner electrode on the surface of the
内側電極の形状は、例えば円形である。上記開口の形状は、内側電極の形状と相似であってもよい。上記開口の大きさは、内側電極より大きいことが好ましい。外側電極の面積は、内側電極の面積の10倍以上、好ましくは1000倍以上であることが好ましい。外側電極の面積は、2cm2以上であってもよい。外側電極の外延の形状は特に限定されるものではなく、内側電極の形状と相似であってもよい。 The shape of the inner electrode is, for example, a circle. The shape of the opening may be similar to the shape of the inner electrode. The size of the opening is preferably larger than the inner electrode. The area of the outer electrode is preferably 10 times or more, more preferably 1000 times or more the area of the inner electrode. The area of the outer electrode may be 2 cm 2 or more. The outer shape of the outer electrode is not particularly limited, and may be similar to the shape of the inner electrode.
外側電極の外延の形状は、正多角形であってもよい。例えば、円形の内側電極と、円形の開口と、正方形の外側電極とが、それぞれの中心が一致するように形成される。内側電極と外側電極との間に電圧を印加することで、容量電圧測定を実施できる。当該方法によれば、内側電極の面積値と、内側電極および外側電極の間隔の値とを用いて、各材料の容量値を計算できる。 The outwardly extending shape of the outer electrode may be a regular polygon. For example, a circular inner electrode, a circular opening, and a square outer electrode are formed so that their centers coincide. Capacitance voltage measurement can be performed by applying a voltage between the inner electrode and the outer electrode. According to this method, the capacitance value of each material can be calculated using the area value of the inner electrode and the value of the interval between the inner electrode and the outer electrode.
活性層310は、一例として、GaAs、AlGaAs、InGaP、およびInGaAs等の3−5族化合物半導体を有する。活性層310は、歪みInGaAsを有してもよい。活性層310は、例えば、FET能動層として機能する。コンタクト層420は、GaAs、およびInGaAs等の3−5族化合物半導体を有してもよい。
The
図5は、さらに別の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板500の断面の一例を概略的に示す。化合物半導体エピタキシャル基板500は、ベース基板502、バッファ層504、バック側電子供給層506、バック側スペーサー層508、チャネル層510、フロント側スペーサー層512、フロント側電子供給層514、バリア層516、およびコンタクト層520をこの順に備える。化合物半導体エピタキシャル基板500は、半導体基板の一例である。バッファ層504は、ベース基板502の一方の主面503に結晶成長して形成される。チャネル層510は、活性層の一例である。
FIG. 5 schematically shows an example of a cross section of a compound
ベース基板502とベース基板102とは、同様の構成を有する。バッファ層504と3−5族化合物半導体104とは、同様の構成を有する。バッファ層504は、複数の層を有してよい。バッファ層504における複数の層の少なくとも一部が、3−5族化合物半導体104と同様の構成を有してもよい。バッファ層504は、例えば10nm以上3000nm以下の厚みを有する。チャネル層510と活性層310とは同様の構成を有する。コンタクト層520は、コンタクト層420と同様の構成を有する。そこで、ベース基板502、バッファ層504、チャネル層510、およびコンタクト層520については説明を省略する。
The
バック側電子供給層506およびフロント側電子供給層514は、チャネル層510に電子を供給する。バック側電子供給層506およびフロント側電子供給層514は、AlGaAs等の3−5族化合物半導体を有してもよい。バック側スペーサー層508およびフロント側スペーサー層512は、チャネル層510に含まれる化合物半導体のバンドギャップより広いバンドギャップを有する化合物半導体を有してもよい。バリア層516は、AlGaAs等の3−5族化合物半導体を有する。バリア層516には、FET等の電子素子のゲート電極が形成される。コンタクト層520は、例えばGaAs、InGaAs等の3−5族化合物半導体を有する。
The back side
バッファ層504により容量を形成した場合の化合物半導体エピタキシャル基板500の容量電圧測定は、例えば、コンタクト層520をエッチングなどにより除去して、バリア層516に形成した一対のショットキ電極に電圧を印加することで実施できる。ショットキ電極として、Al、Ag、Au、およびCu等を利用できる。なお、ショットキ電極については、図5には図示していない。
The capacitance voltage measurement of the compound
図6は、別の実施形態に係る半導体装置600の断面の一例を概略的に示す。半導体装置600は、例えばHEMTである。半導体装置600は、ベース基板502、バッファ層504、バック側電子供給層506、バック側スペーサー層508、チャネル層510、フロント側スペーサー層512、フロント側電子供給層514、およびバリア層516をこの順に備える。半導体装置600は、バリア層516に接するコンタクト層622およびコンタクト層624と、制御電極636とを備える。半導体装置600は、コンタクト層622に接するドレイン電極632と、コンタクト層624に接するソース電極634とを備える。
FIG. 6 schematically shows an example of a cross section of a
ドレイン電極632およびソース電極634は、例えば、コンタクト層622およびコンタクト層624とオーミック接合を形成する。コンタクト層622およびコンタクト層624は、一例として、GaAsおよびInGaAs等の3−5族化合物半導体を有する。制御電極636は、ドレイン電極632およびソース電極634に流れる電流を制御する。ドレイン電極632、ソース電極634、および制御電極636は、アルミニウム、銅、金、銀、白金、タングステンその他の金属、およびこれらの合金、または、高濃度にドープされたシリコン等の半導体であってよい。
For example, the
半導体装置600は、例えば、以下の手順で製造される。まず、図5に示した化合物半導体エピタキシャル基板500を準備する。次に、化合物半導体エピタキシャル基板500のコンタクト層520の一部をエッチングなどによりパターニング除去してコンタクト層622およびコンタクト層624を形成し、バリア層516を露出させる。その後、ドレイン電極632、ソース電極634、および制御電極636を形成することで、半導体装置600を製造できる。
For example, the
本実施形態において、半導体装置がHEMTの場合について説明したが、半導体装置は、HEMTに限定されない。半導体装置は、HBTまたはFET等の電子デバイスだけでなく、発光素子、受光素子、または半導体回路であってもよい。 Although the case where the semiconductor device is a HEMT has been described in the present embodiment, the semiconductor device is not limited to a HEMT. The semiconductor device may be a light emitting element, a light receiving element, or a semiconductor circuit as well as an electronic device such as an HBT or FET.
(実施例1)
化合物半導体エピタキシャル基板500を、以下の手順で製作した。ベース基板502として、半絶縁性のGaAs単結晶基板を準備した。準備したGaAs単結晶基板を、減圧バレル型のMOCVD炉に設置した。次に、バッファ層504として、膜厚が500nmのp−Al0.25Ga0.75Asを形成した。p−Al0.25Ga0.75Asの形成には、3族原料ガスとして、第1の3族原料ガスとしてのTMAと、第2の3族原料ガスとしてのTMGとを用いた。また、5族原料ガスとして、アルシン(AsH3)を含む原料ガスを用いた。不純物ガスとして、ジシラン(Si2H6)を含むガスを用いた。不純物ガスの流量は、101.3kPa、0℃の条件に換算して、ジシランの流量が、6.20×10−5cm3/分となるよう設定した。キャリアガスとして、高純度水素を用いた。
Example 1
The compound
バッファ層504の形成において、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が30となるように、第1の3族原料ガス、第2の3族原料ガス、および5族原料ガスを、MOCVD炉に供給した。具体的には、第1の3族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の条件に換算して、TMAの流量が2.7cm3/分となるよう設定した。第2の3族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の条件に換算して、TMGの流量が10.6cm3/分となるよう設定した。5族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の条件に換算して、アルシンの流量が400cm3/分となるよう設定した。その他の結晶成長条件として、MOCVD炉内における成長圧力が10.13kPa、成長温度が650℃、成長速度が1〜3μm/hrという条件を選択した。
In the formation of the
5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差は、386.7cm3/分であった。従って、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比は、6.24×106であった。また、不純物ガス流量に対する5族原料ガスの流量比は、6.45×106であった。
The flow rate difference between the
次に、バック側電子供給層506として、膜厚が3nmのn−Al0.22Ga0.78Asを形成した。バック側電子供給層506の残留n型キャリア濃度は、3×1018cm−3であった。次に、バック側スペーサー層508として、膜厚が3nmのi−Al0.22Ga0.78Asを形成した。
Next, n-Al 0.22 Ga 0.78 As having a thickness of 3 nm was formed as the back-side
次に、チャネル層510として、歪みInGaAs層を形成した。歪みInGaAs層として、膜厚が14nmのi−In0.20Ga0.80Asを形成した。i−In0.20Ga0.80Asの3族原料ガスとして、TMIを含む第1の3族原料ガスとTMGを含む第2の3族原料ガスとを用いた。
Next, a strained InGaAs layer was formed as the
次に、フロント側スペーサー層512として、膜厚が3nmのi−Al0.22Ga0.78Asを形成した。次に、フロント側電子供給層514として、膜厚が9nmのn−Al0.22Ga0.78Asを形成した。フロント側電子供給層514の残留n型キャリア濃度は、3×1018cm−3であった。最後に、バリア層516として、膜厚が50nmのi−Al0.22Ga0.78Asを形成した。
Next, i-Al 0.22 Ga 0.78 As having a thickness of 3 nm was formed as the
図7は、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板における容量電圧測定の結果を示す。図7の横軸はバイアス電圧[V]を示す。縦軸は静電容量[F]を示す。図8は、図7に示した容量電圧測定の結果における縦軸を単位面積当たりの静電容量[F/cm2]に変換した図を示す。容量電圧測定は、バリア層516の表面にショットキ電極を形成して実施した。
FIG. 7 shows the results of capacitance voltage measurement on the compound semiconductor epitaxial substrate of Example 1. The horizontal axis in FIG. 7 indicates the bias voltage [V]. The vertical axis represents the capacitance [F]. FIG. 8 shows a diagram in which the vertical axis in the result of the capacitive voltage measurement shown in FIG. 7 is converted into a capacitance [F / cm 2 ] per unit area. The capacitance voltage measurement was performed by forming a Schottky electrode on the surface of the
ショットキ電極として、開口を有する外側電極と、当該開口の内側に配置された内側電極とを形成した。内側電極の形状は、直径500μmの円形とした。外側電極の開口の形状は、直径540μmの円形とした。外側電極の外延の形状は円形とした。外側電極の面積は、2cm2以上であった。内側電極、外側電極、および開口は、中心が一致するように設計した。外側電極および内側電極の材料として、Alを用いた。内側電極と外側電極との間に電圧を加えて、容量電圧測定を実施した。 As the Schottky electrode, an outer electrode having an opening and an inner electrode arranged inside the opening were formed. The shape of the inner electrode was a circle having a diameter of 500 μm. The shape of the opening of the outer electrode was a circle having a diameter of 540 μm. The outer electrode has a circular shape. The area of the outer electrode was 2 cm 2 or more. The inner electrode, outer electrode, and aperture were designed to be centered. Al was used as the material for the outer and inner electrodes. Capacitance voltage measurement was performed by applying a voltage between the inner electrode and the outer electrode.
図7に示すとおり、残留容量は1pF未満であった。また、図8に示すとおり、単位面積当たりの残留容量は、1pFを内側電極の面積(2.0×10−3cm2)で割って得られる値未満、すなわち0.5nF/cm2未満である。容量電圧測定において、約2.6Vから約3.1Vの範囲内のバイアス電圧で静電容量が急峻に低下し、良好なピンチオフ特性を示した。ピンチオフ電圧は、−2.8Vであった。ここで、ピンチオフ電圧とは、n型キャリア濃度が1×1015cm−3となるときの電圧を表す。 As shown in FIG. 7, the residual capacity was less than 1 pF. Further, as shown in FIG. 8, the residual capacity per unit area is less than a value obtained by dividing 1 pF by the area of the inner electrode (2.0 × 10 −3 cm 2 ), that is, less than 0.5 nF / cm 2 . is there. In the capacitance voltage measurement, the electrostatic capacitance decreased sharply at a bias voltage in the range of about 2.6 V to about 3.1 V, and good pinch-off characteristics were exhibited. The pinch-off voltage was -2.8V. Here, the pinch-off voltage represents a voltage when the n-type carrier concentration is 1 × 10 15 cm −3 .
容量電圧測定結果を用いて、バッファ層504のp型キャリア濃度および残留p型キャリア濃度を算出した。ここで、バッファ層504のp型キャリア濃度とは、ジシランをドーピングしない状態で形成した場合のバッファ層504のp型キャリア濃度を表す。また、バッファ層504の残留p型キャリア濃度とは、ジシランをドーピングしたことによるn型キャリアによって補償された後のp型キャリア濃度を表す。
The p-type carrier concentration and the residual p-type carrier concentration of the
バッファ層504のp型キャリア濃度は3.3×1016cm−3であり、残留p型キャリア濃度は5.0×1015cm−3であった。即ち、バッファ層504の膜厚に、バッファ層504の残留p型キャリア濃度を乗じた値は、2.5×1011cm−2となり、8.0×1011cm−2以下であった。
The
また、バッファ層504の耐圧測定を実施した。耐圧測定においては、電子伝導による耐圧とホール伝導による耐圧とを測定した。耐圧測定は、以下の手順で実施した。まず、化合物半導体エピタキシャル基板500表面から130nmをエッチングしてバッファ層504を露出させた。次に、露出したバッファ層に、対抗電極を設置した。対抗電極の間隔は5μmとした。対抗電極の幅は200μmとした。電子伝導による耐圧測定には、AuGe/Ni/Au電極を用いた。ホール伝導による耐圧測定には、AuZn電極を用いた。電子伝導による耐圧は22Vであり、ホール伝導による耐圧は48Vであり、良好なバッファ耐圧が得られた。
In addition, the breakdown voltage of the
さらに、化合物半導体エピタキシャル基板500のホール測定を実施した。ホール測定は、Van der Pauw法により実施した。300Kでの2次元電子ガス濃度は、2.4×1012cm−2であった。300Kでの電子移動度は、7600cm2/Vsであった。また、77Kでの2次元電子ガス濃度は、2.5×1012cm−2であった。77Kでの電子移動度は、24000cm2/Vsであった。
Furthermore, the hole measurement of the compound
(実施例2)
実施例2として、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を30として、不純物ガスの流量を減少させて、実施例1と同様の構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板500を製造した。実施例2の化合物半導体エピタキシャル基板500は、不純物ガスの流量を減少させてバッファ層504を形成した以外は、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様にして製造した。具体的には、不純物ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、ジシランの流量が5.40×10−5cm3/分となるよう設定した。
(Example 2)
As Example 2, the compound
実施例2における5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差は、実施例1と同様に386.7cm3/分であった。不純物ガスであるジシランの流量が5.40×10−5cm3/分なので、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比は、7.16×106であった。また、不純物ガス流量に対する5族原料ガスの流量比は、7.41×106であった。
The flow rate difference between the
実施例2の化合物半導体エピタキシャル基板500において、バッファ層504のp型キャリア濃度、即ちジシランをドーピングしない状態で形成した場合のバッファ層504のp型キャリア濃度は、3.3×1016cm−3であった。また、残留p型キャリア濃度、即ち、ジシランをドーピングしたことによるn型キャリアによって補償された後のp型キャリア濃度は、8.0×1015cm−3であった。即ち、バッファ層504の膜厚に、バッファ層504のキャリア濃度を乗じた値は、4.0×1011cm−2となり、8.0×1011cm−2より小さかった。
In the compound
実施例2のバッファ層504の電子伝導による耐圧は23Vであり、ホール伝導による耐圧は37Vであった。ホール伝導による耐圧は実施例1のバッファ層504の耐圧よりも低下したが、十分に良好なバッファ耐圧が得られた。
The withstand voltage due to electron conduction of the
(実施例3)
実施例3として、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を30として、不純物ガスの流量をさらに減少させて、実施例1および実施例2と同様の構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板500を製造した。実施例3の化合物半導体エピタキシャル基板500は、不純物ガスの流量を減少させてバッファ層504を形成した以外は、実施例1および実施例2の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様にして製造した。具体的には、不純物ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、ジシランの流量が4.58×10−5cm3/分となるよう設定した。
Example 3
As Example 3, the compound semiconductor epitaxial substrate having the same structure as in Example 1 and Example 2 with the flow rate ratio of the
実施例3における5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差は、実施例1と同様に386.7cm3/分であった。不純物ガスであるジシランの流量が4.58×10−5cm3/分なので、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比は、8.44×106であった。また、不純物ガス流量に対する5族原料ガスの流量比は、8.73×106であった。
The flow rate difference between the
実施例3の化合物半導体エピタキシャル基板500において、バッファ層504のp型キャリア濃度、即ちジシランをドーピングしない状態で形成した場合のバッファ層504のp型キャリア濃度は、3.3×1016cm−3であった。また、残留p型キャリア濃度、即ち、ジシランをドーピングしたことによるn型キャリアによって補償された後のp型キャリア濃度は、1.4×1016cm−3であった。即ち、バッファ層504の膜厚に、バッファ層504のキャリア濃度を乗じた値は、7.0×1011cm−2となり、8.0×1011cm−2より小さかった。
In the compound
実施例2のバッファ層504の電子伝導による耐圧は25Vであり、ホール伝導による耐圧は26Vであった。ホール伝導による耐圧は実施例2のバッファ層504の耐圧よりもさらに低下したが、十分に良好なバッファ耐圧が得られた。
The withstand voltage due to electron conduction of the
(比較例1)
比較例1として、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を70として、実施例1と同様の構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板を製造した。比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板は、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を70として、不純物ガスを供給しないでバッファ層を形成した以外は、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様の条件下で製造した。具体的には、第1の3族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、TMAの流量が2.7cm3/分となるよう設定した。第2の3族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、TMGの流量が10.6cm3/分となるよう設定した。5族原料ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、アルシンの流量が930cm3/分となるよう設定した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a compound semiconductor epitaxial substrate having a structure similar to that of Example 1 was manufactured with a flow rate ratio of the
比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板において、バッファ層のp型キャリア濃度は、5×1015cm−3であった。即ち、バッファ層の膜厚に、バッファ層のキャリア濃度を乗じた値は、2.5×1011cm−2となり、8.0×1011cm−2以下であった。なお、比較例1においては、残留p型キャリア濃度はp型キャリア濃度と等しい。 In the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 1, the buffer layer had a p-type carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 . That is, the value obtained by multiplying the thickness of the buffer layer by the carrier concentration of the buffer layer was 2.5 × 10 11 cm −2 , which was 8.0 × 10 11 cm −2 or less. In Comparative Example 1, the residual p-type carrier concentration is equal to the p-type carrier concentration.
比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板について、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板と同様に、容量電圧測定を実施した。その結果、残留容量は1pF未満であるとともに、単位面積当たりの残留容量は0.5nF/cm2であり、良好なピンチオフ特性を示した。また、容量電圧測定において、ピンチオフ電圧、即ち、n型キャリア濃度が1×1015cm−3となるときの電圧は−2.9Vであった。 About the compound semiconductor epitaxial substrate of the comparative example 1, the capacity voltage measurement was implemented similarly to the compound semiconductor epitaxial substrate of the example 1. As a result, the residual capacity was less than 1 pF, and the residual capacity per unit area was 0.5 nF / cm 2 , indicating good pinch-off characteristics. In the capacitance voltage measurement, the pinch-off voltage, that is, the voltage when the n-type carrier concentration is 1 × 10 15 cm −3 was −2.9 V.
比較例1のバッファ層について、実施例1のバッファ層504と同様に、耐圧測定を実施した。電子伝導による耐圧は26Vであり、ホール伝導による耐圧は42Vであり、良好なバッファー耐圧が得られた。
With respect to the buffer layer of Comparative Example 1, withstand voltage measurement was performed in the same manner as the
比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板について、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様に、ホール測定を実施した。300Kでの2次元電子ガス濃度は、2.4×1012cm−2であった。300Kでの電子移動度は、7600cm2/Vsであった。また、77Kでの2次元電子ガス濃度は、2.5×1012cm−2であった。77Kでの電子移動度は、25000cm2/Vsであった。
For the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 1, hole measurement was performed in the same manner as the compound
(比較例2)
比較例2として、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比を30として、不純物ガスの流量を減少させて、実施例1と同様の構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板を製造した。比較例2の化合物半導体エピタキシャル基板は、不純物ガスの流量を減少させてバッファ層を形成した以外は、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様にして製造した。具体的には、不純物ガスの流量は、101.3kPa、0℃の標準条件に換算して、ジシランの流量が4.12×10−5cm3/分となるよう設定した。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a compound semiconductor epitaxial substrate having the same structure as in Example 1 was manufactured by setting the flow rate ratio of the
比較例2における5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差は、実施例1と同様に386.7cm3/分であった。不純物ガスであるジシランの流量が4.12×10−5cm3/分なので、不純物ガスの流量に対する5族原料ガスと3族原料ガスとの流量差の比は、9.39×106であった。また、不純物ガス流量に対する5族原料ガスの流量比は、9.71×106であった。
The flow rate difference between the
比較例2の化合物半導体エピタキシャル基板において、バッファ層のp型キャリア濃度、即ちジシランをドーピングしない状態での元々のp型キャリア濃度は、3.3×1016cm−3であった。また、残留p型キャリア濃度、即ち、n型キャリア濃度によって補償された後のp型キャリア濃度は、2.0×1016cm−3であった。即ち、バッファ層504の膜厚に、バッファ層504のキャリア濃度を乗じた値は、1.0×1012cm−2となり、8.0×1011cm−2より大きかった。
In the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 2, the p-type carrier concentration of the buffer layer, that is, the original p-type carrier concentration without doping disilane was 3.3 × 10 16 cm −3 . Further, the residual p-type carrier concentration, that is, the p-type carrier concentration after being compensated by the n-type carrier concentration was 2.0 × 10 16 cm −3 . That is, the value obtained by multiplying the thickness of the
図9は、比較例2の化合物半導体エピタキシャル基板における容量電圧測定の結果を示す。図10は、図9に示した容量電圧測定の結果における縦軸を単位面積当たりの静電容量[F/cm2]に変換した図を示す。比較例2の化合物半導体エピタキシャル基板について、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様に、容量電圧測定を実施した。図9に示すとおり、p型キャリアが残留して17pFの残留容量が生じた。残留容量17pFを内側電極の面積(2.0×10−3cm2)で割ることにより、単位面積当たりの残留容量は8.7nF/cm2と算出された。
FIG. 9 shows the results of capacitance voltage measurement on the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 2. FIG. 10 shows a diagram in which the vertical axis in the result of the capacitive voltage measurement shown in FIG. 9 is converted into a capacitance [F / cm 2 ] per unit area. For the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 2, the capacitance voltage measurement was performed in the same manner as the compound
図9および図10を図7および図8と比較すると、ピンチオフ特性が悪化したことがわかる。具体的には、約2.6Vから約3.0Vのバイアス電圧の範囲内で、残留容量が17pFに低減した後、さらに、約4.5V以上のバイアス電圧において残留容量がさらに低下した。p型キャリアのエネルギー準位が深いので、約4.5V以下の電圧においてはp型キャリアが残留していたことが原因であると考えられる。比較例2におけるピンチオフ電圧、即ち、n型キャリア濃度が1×1015cm−3となるときの電圧は−2.5Vであった。 9 and 10 are compared with FIGS. 7 and 8, it can be seen that the pinch-off characteristics are deteriorated. Specifically, after the residual capacitance was reduced to 17 pF within a bias voltage range of about 2.6 V to about 3.0 V, the residual capacitance was further reduced at a bias voltage of about 4.5 V or more. Since the energy level of the p-type carrier is deep, it is considered that the p-type carrier remains at a voltage of about 4.5 V or less. The pinch-off voltage in Comparative Example 2, that is, the voltage when the n-type carrier concentration was 1 × 10 15 cm −3 was −2.5V.
比較例2のバッファ層について、実施例1のバッファ層504と同様に、耐圧測定を実施した。電子伝導による耐圧は23Vであり、ホール伝導による耐圧は7Vであった。実施例1、実施例2、実施例3、および比較例1に比べて、ホール伝導耐圧が大きく低下していることがわかる。
With respect to the buffer layer of Comparative Example 2, withstand voltage measurement was performed in the same manner as the
比較例2の化合物半導体エピタキシャル基板について、実施例1の化合物半導体エピタキシャル基板500と同様に、ホール測定を実施した。300Kでの2次元電子ガス濃度は、2.1×1012cm−2であった。300Kでの電子移動度は、7600cm2/Vsであった。また、77Kでの2次元電子ガス濃度は、2.1×1012cm−2であった。77Kでの電子移動度は、25000cm2/Vsであった。p型キャリアにより中性領域が発生して、2次元電子ガス濃度が低下したと考えられる。
For the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 2, hole measurement was performed in the same manner as the compound
表1は、実施例1から比較例2までのそれぞれにおけるバッファー成長条件を示す。表2は、実施例1から比較例2までのそれぞれにおけるバッファー成長結果を示す。表2におけるn耐圧は電子伝導による耐圧を示す。p耐圧はホール伝導による耐圧を示す。表3は、実施例1から比較例2までのそれぞれにおける活性層特性を示す。
表2から明らかなように、ホール伝導による耐圧は、比較例2において顕著に低下している。また、表3から明らかなように、単位面積当たりの残留容量は、比較例2において顕著に低下している。 As is apparent from Table 2, the breakdown voltage due to hole conduction is significantly reduced in Comparative Example 2. Further, as apparent from Table 3, the residual capacity per unit area is significantly reduced in Comparative Example 2.
そこで、比較例2を実施例3と比較する。比較例2と実施例3との間では、不純物ガスであるジシランの流量が異なる。つまり、比較例2と実施例3との間では、ジシランの流量に対する5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差の比が異なる。ジシランの流量に対して、5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差が適当な量でない場合に、残留p型キャリア濃度が適正値を上回ることで残留容量が増加するとともに、ホール伝導による耐圧が低下すると考えられる。
Therefore, Comparative Example 2 is compared with Example 3. Between Comparative Example 2 and Example 3, the flow rate of disilane which is an impurity gas is different. That is, the ratio of the difference between the flow rate of the
実施例3におけるジシランの流量に対する5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差の比が8.44×106であるのに対して、比較例2におけるジシランの流量に対する5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差の比は9.39×106である。従って、ジシランの流量に対する5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差の比が、約9.0×106以下である場合に良好なバッファー性能を有する化合物半導体が成長すると考えられる。ジシランの流量に対する5族原料ガスの流量と3族原料ガスの流量の差の比は、8.44×106以下であってもよい。
The ratio of the difference between the flow rate of the
また、実施例3におけるジシランの流量に対する5族原料ガスの流量が8.73×106であるのに対して、比較例2におけるジシランの流量に対する5族原料ガスの流量比は9.71×106である。従って、3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が30である場合には、ジシランの流量に対する5族原料ガスの流量比が、約9.0×106以下である場合に良好なバッファ性能を有する化合物半導体が成長すると考えられる。3族原料ガスの流量に対する5族原料ガスの流量比が30である場合には、ジシランの流量に対する5族原料ガスの流量比は、8.73×106以下であってもよい。
Further, the flow rate of the
さらに、実施例3における残留キャリア濃度と膜厚との積が7.0×1011であるのに対して、比較例2における残留キャリア濃度と膜厚との積は、1.0×1012である。従って、残留キャリア濃度と膜厚との積が8.0×1011以下である場合に良好なバッファ性能を有する化合物半導体が成長すると考えられる。残留キャリア濃度と膜厚との積は、7.0×1011以下であってもよい。 Further, the product of the residual carrier concentration and the film thickness in Example 3 is 7.0 × 10 11 , whereas the product of the residual carrier concentration and the film thickness in Comparative Example 2 is 1.0 × 10 12. It is. Therefore, it is considered that a compound semiconductor having good buffer performance grows when the product of the residual carrier concentration and the film thickness is 8.0 × 10 11 or less. The product of the residual carrier concentration and the film thickness may be 7.0 × 10 11 or less.
以上のとおり、実施例1、実施例2、および実施例3の化合物半導体エピタキシャル基板は、比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板と比較して、5族原料ガスを約60%削減したにもかかわらず、比較例1の化合物半導体エピタキシャル基板と同等のデバイス特性を示している。一方、比較例2に示すように、単に、5族原料ガスを削減しただけでは、十分な特性を得られていない。即ち、本願発明に係る構成を採用することにより、5族原料ガスの使用量を大幅に削減したにもかかわらず、良好なデバイス特性を示す3−5族化合物半導体が得られた。これにより、化合物半導体エピタキシャル基板および半導体装置の製造コストを大きく低減することができる。
As described above, the compound semiconductor epitaxial substrates of Example 1, Example 2, and Example 3 were less than the compound semiconductor epitaxial substrate of Comparative Example 1 by reducing the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, and method shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly “before”, “prior”, etc. It should be noted that it can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
100 化合物半導体エピタキシャル基板、102 ベース基板、103 主面、 104 3−5族化合物半導体、 300 半導体装置、 310 活性層、 400 化合物半導体エピタキシャル基板、 420 コンタクト層、 500 化合物半導体エピタキシャル基板、 502 ベース基板、 503 主面、 504 バッファ層、 506 バック側電子供給層、 508 バック側スペーサー層、 510 チャネル層、 512 フロント側スペーサー層、 514 フロント側電子供給層、 516 バリア層、 520 コンタクト層、 600 半導体装置、 622 コンタクト層、 624 コンタクト層、 632 ドレイン電極、 634 ソース電極、 636 制御電極 100 compound semiconductor epitaxial substrate, 102 base substrate, 103 main surface, 104 3-5 group compound semiconductor, 300 semiconductor device, 310 active layer, 400 compound semiconductor epitaxial substrate, 420 contact layer, 500 compound semiconductor epitaxial substrate, 502 base substrate, 503 main surface, 504 buffer layer, 506 back side electron supply layer, 508 back side spacer layer, 510 channel layer, 512 front side spacer layer, 514 front side electron supply layer, 516 barrier layer, 520 contact layer, 600 semiconductor device, 622 contact layer, 624 contact layer, 632 drain electrode, 634 source electrode, 636 control electrode
Claims (12)
前記反応容器の内部に、3族元素の有機金属化合物からなる3族原料ガス、5族元素を含む化合物からなる5族原料ガス、および、半導体内にドープされてドナーとなる不純物を含む不純物ガスを供給して、前記ベース基板にp型3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる段階と
を備え、
前記ベース基板に前記p型3−5族化合物半導体をエピタキシャル成長させる段階において、前記不純物ガスの流量、および前記3族原料ガスに対する前記5族原料ガスの流量比を、前記p型3−5族化合物半導体の残留キャリア濃度N(cm−3)および厚さd(cm)の積N×d(cm−2)が8.0×1011以下になるよう設定する、
半導体基板の製造方法。 Installing a base substrate inside the reaction vessel;
An impurity gas containing a group 3 source gas composed of an organometallic compound of a group 3 element and a group 5 source gas composed of a compound containing a group 5 element, and an impurity doped into a semiconductor to serve as a donor. And epitaxially growing a p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate,
In the step of epitaxially growing the p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate, the flow rate of the impurity gas and the flow rate ratio of the group 5 source gas to the group 3 source gas are set as the p-type group 3-5 compound. A product N × d (cm −2 ) of the residual carrier concentration N (cm −3 ) and thickness d (cm) of the semiconductor is set to 8.0 × 10 11 or less.
A method for manufacturing a semiconductor substrate.
請求項1に記載の半導体基板の製造方法。 In the step of epitaxially growing the p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate, a flow rate ratio of the group 5 source gas to the group 3 source gas is set to 50 or less.
A method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1.
請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法。 In the step of epitaxially growing the p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate, the residual per unit area by capacitance voltage measurement using a Schottky electrode in contact with the active layer on the p-type group 3-5 compound semiconductor is further provided. Setting the flow rate of the impurity gas and the flow rate ratio of the Group 5 source gas to the Group 3 source gas so that the capacity is less than 0.5 nF / cm 2 ;
The manufacturing method of the semiconductor substrate of Claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 In the step of epitaxially growing the p-type group 3-5 compound semiconductor on the base substrate, a ratio of a flow rate difference between the group 5 source gas and the group 3 source gas to a flow rate of the impurity gas is 9.0 × 10 6 or less. Set to
The manufacturing method of the semiconductor substrate as described in any one of Claim 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 The impurity gas contains at least one element selected from the element group consisting of Si, Se, Ge, Sn, S, and Te.
The manufacturing method of the semiconductor substrate as described in any one of Claim 1 to 4.
請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 The p-type group 3-5 compound semiconductor and further an active layer are stacked in this order on the base substrate.
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1.
3族元素の有機金属化合物からなる3族原料ガス、5族元素からなる5族原料ガス、および、半導体内にドープされてドナーとなる不純物を含む不純物ガスを供給して、前記ベース基板上でエピタキシャル成長されたp型3−5族化合物半導体と
を備え、
前記p型3−5族化合物半導体は、残留キャリア濃度N(cm−3)および厚さd(cm)の積N×d(cm−2)が8.0×1011以下である、
半導体基板。 A base substrate;
On the base substrate, a group 3 source gas composed of an organometallic compound of a group 3 element, a group 5 source gas composed of a group 5 element, and an impurity gas containing an impurity doped into a semiconductor and serving as a donor are supplied on the base substrate. An epitaxially grown p-type group 3-5 compound semiconductor, and
In the p-type group 3-5 compound semiconductor, a product N × d (cm −2 ) of a residual carrier concentration N (cm −3 ) and a thickness d (cm) is 8.0 × 10 11 or less.
Semiconductor substrate.
請求項7に記載の半導体基板。 The p-type group 3-5 compound semiconductor was epitaxially grown under the condition that the ratio of the group 5 source gas to the group 3 source gas was 50 or less.
The semiconductor substrate according to claim 7.
請求項7または8に記載の半導体基板。 In the capacitance voltage measurement using a Schottky electrode in contact with the active layer on the p-type group 3-5 compound semiconductor, the residual capacitance per unit area is less than 0.5 nF / cm 2 .
The semiconductor substrate according to claim 7 or 8.
請求項7から9のいずれか一項に記載の半導体基板。 The p-type Group 3-5 compound semiconductor was epitaxially grown under the condition that the ratio of the flow rate difference between the Group 5 source gas and the Group 3 source gas to the flow rate of the impurity gas was 9.0 × 10 6 or less.
The semiconductor substrate as described in any one of Claim 7 to 9.
請求項7から10のいずれか一項に記載の半導体基板。 Including at least one element selected from the element group consisting of Si, Se, Ge, Sn, S and Te as a donor impurity;
The semiconductor substrate according to claim 7.
請求項7から11のいずれか一項に記載の半導体基板。 The p-type group 3-5 compound semiconductor and further an active layer are stacked in this order on the base substrate.
The semiconductor substrate according to any one of claims 7 to 11.
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